Цепи уменьшения потерь коммутации

Ключи силовой электроники с обычными тиристорами, GTO или MCT (MOS-управляемые тиристоры) для гарантированной работы в безопасной области требуют наличие цепей для уменьшения потерь, т.е. без таких цепей не обойтись, если компоненты должны выполнять свои основные функции при коммутации. В отличие от этого, SOA-характеристики современных IGBT и MOSFET допускают работу без дополнительных цепей, и такие цепи могут служить только для уменьшения потерь при коммутации или для обеспечения симметрии при каскадировании.

На рис.3.78 показан традиционный понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь.

Рис. 3.78. Понижающий преобразователь с IGBT и простыми цепями для уменьшения потерь

В начале IGBT закрыт (v_ce v_DC), и ток нагрузки проходит через обратную цепь. Процесс коммутации от обратного диода к IGBT (индуктивная коммутация) переходит при активном включении IGBT. Как только индуктивность цепи достигла определенного значения, коммутационное напряжение при нарастании тока коллектора будет почти полностью поглощаться (соответствует напряжению питания преобразователя), так что напряжение коллектор-эмиттер быстро упадет до очень низкого уровня. В то же время индуктивность цепи уменьшит скорость коммутации тока.

При рассмотрении обоих аспектов, можно значительно уменьшить потери при выключении IGBT. Характеристики тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер соответствуют мягкой коммутации, как показано в п. 0. В п. 3.8.3 мы продемонстрируем, что при помощи простой катушки в несколько мкГн будет значительно уменьшена рассеиваемая мощность IGBT и MOSFET очень эффективно. Дополнительно к уменьшению потерь IGBT при включении, потери при выключении обратных диодов также снизятся при индуктивной коммутации, поскольку уменьшенная скорость коммутации тока приведет к низкоуровым обратным выбросам тока.

Комбинация R-D создаст обратную цепь для демпфирующей индуктивности, которая установит предел перенапряжениям в IGBT и FWD при выключении.

Рекомендации по применению

1. Не выбирать индуктивность для цепи больше, чем необходимо для уменьшения потерь коммутации (см.п. 3.8.3).
2. Минимизировать внутренние индуктивности цепи снаббера.
3. Взаимосвязь R и L для постоянной времени (i = L/R) необходима для внутреннего разряда энергии индуктивности. Это, в свою очередь, приведет к минимальному статическому времени закрытого состояния IGBT (ограничение рабочего цикла) для получения значительного ограничения рассеиваемых мощностей при включении (нет остаточного тока в L). С одной стороны, при увеличении R будет укорачиваться минимальное статическое время закрытого состояния IGBT, с другой стороны, однако, увеличится напряжение и, соответственно, большие рассеиваемые мощности в выключенных силовых полупроводниках.

Уменьшение потерь при включении (RCD-цепи):

В начале IGBT открыт, и проводит ток нагрузки. Процесс коммутации от IGBT к обратному диоду (емкостная коммутация) переходит при активном выключении IGBT. Ток нагрузки быстро коммутируется от IGBT к параллельному D-C плечу, из-за чего ток коллектора возрастает с одновременным снижением dv/dt коллектор-эмиттер. Таким образом будут уменьшены потери при выключении IGBT. Характеристики тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер соответствуют мягкой коммутации, как показано в п. 0. В п. 3.8.3 мы покажем, среди остальных вещей, что эффект уменьшения потерь мощности, который можно получить при определенной емкости, сильно зависит от специфической структуры транзистора (MOSFET, NPT-IGBT, PT-IGBT).

Под конец коммутации напряжения, с малыми потерями включится обратный диод, и через него потечет ток емкостного снаббера. Со следующим включением IGBT, сохраненная энергия в емкостной цепи будет разряжена через резистор R.

Рекомендации по применению

1. Не выбирать емкость для цепи больше, чем необходимо для уменьшения потерь коммутации (см.п. 3.8.3).
2. Используйте быстрые снабберные диоды с низкими перенапряжениями включения (прямое восстановление)
3. Используйте импульсные конденсаторы (пленочные и т.п.) с низкой внутренней индуктивностью.
4. Минимизируйте собственную индуктивность IGBT-RCD цепи.
5. Произведение R и C для постоянной времени (i = R · C) необходимо для внутреннего разряда энергии емкости. Это, в свою очередь, приведет к минимальному времени открытого состояния IGBT (ограничение рабочего цикла) для получения значительного ограничения рассеиваемых мощностей при включении (нет остаточного напряжения на С). С одной стороны, при увеличении R будет укорачиваться минимальное время открытого состояния IGBT, с другой стороны, увеличится ток и, соответственно, больше рассеиваемые мощности во включенном транзисторе.

В любом случае, большие индуктивные и емкостные элементы снабберов всегда приведут к увеличению времени коммутации!

В импульсных схемах, где чередуются процессы индуктивной и емкостной коммутации на одной коммутационной цепи, при разряде энергии в элементах L и С рассеивается мощность в следующих коммутационных процессах. В устройствах с простыми цепями снабберов, как описано до этого, общая сохраненная энергия преобразуется в тепло в основном в цепи резистора, а также частично в транзисторе (рассеивающий снаббер).

Несмотря на уменьшенные потери в ключах, общая эффективность схемы не улучшится.

Кроме того, разнообразие схем для снижения потерь хорошо известно из соответствующей литературы (низко- или безпотерьные снабберы), в которых энергия сохраняется в резонансных схемах или возвращается обратно в цепь питания. Однако такие типы схем часто очень сложны в настройке, и для производства платы и схемы потребуется большой объем работ [258], [78].

---

Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи